CN110376164B - 一种用于微尺度下流体界面性质测量的传感器 - Google Patents

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    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N21/49—Scattering, i.e. diffuse reflection within a body or fluid

Abstract

本发明公开一种用于微尺度下流体界面性质测量的传感器，包括偏振分光平片、短焦距透镜、1/4玻片、高反射率反射镜、单模光纤；偏振分光平片将光线分为两束，反射的一束光与入射光偏振状态相同，透射的一束光偏振状态与入射光的垂直；反射光作为探测光经过短焦距透镜被准直至待测液体液面，在短焦距透镜和待测液体液面之间设有1/4玻片；1/4玻片能调整散射光的偏振状态，入射至液面的探测光经过1/4玻片后偏振状态变为圆偏振，垂直反射的散射光经1/4玻片后偏振状态变为与纸面平行方向，高效地透射通过偏振分光平片，并与高反射率反射镜反射的相同偏振状态的参考光混频干涉，进入单模光纤进行信号处理。本发明能准确可靠地获得界面性质。

Description

一种用于微尺度下流体界面性质测量的传感器
技术领域
本发明涉及流体黏度和表面传感器，具体涉及一种用于微尺度下流体界面性质测量的传感器，属于流体热物理性质测量和表面科学领域。
背景技术
在能源、化工和生命学科研究中，随着研究对象向微尺度、界面层等复杂反应体系的深入, 提出了非平衡、非线性和复杂性等深层次的科学问题。流体的界面张力及其空间分布是表征其非平衡态和非线性现象的重要热物理性质，是流体界面力的重要组成部分，决定了跨界面层分子的迁移规律，影响着工质在能源化工设备中的流动、传热、传质和化学反应。尤其在微尺度（1 μm ~ 1 mm）下，大的表面积-体积比使表面力呈数百万倍增强，同时空间尺度的缩小也进一步突显了表面力的作用，此时表面效应往往对于流体控制起决定作用。因此，开展微尺度条件下复杂表面体系的界面张力研究，对于弄清尺度效应对微流体流动、传热和传质的影响机制，辨析微流体控制的规律方法，具有重要的科学研究意义。
在微尺度下，尺度变化对表面吸附有重要影响，界面层溶质分子数的变化将显著影响界面张力性质，因此也对界面性质的测量方法提出了要求。传统的界面张力的测试方法，在测试过程中均伴随着与流体界面的接触或直接利用了流体界面的形变。由于存在固体对流体的吸附效应，这些方法应用于微尺度测量时均会导致体相和界面层溶质分子的迁移和分布变化，进而引起实际体系界面张力的改变，因此无法满足测量要求。此外，界面上存在温度或浓度场时会产生Marangoni效应，驱动流体分子在界面层的对流，形成非均匀和非平衡体系。在上述特殊的条件下，要求界面张力的测量方法满足非接触、快速和原位测量等要求。
发明内容
本发明旨在提供一种可以用于微尺度下流体界面性质测量的传感器，该传感器可以用于1-1000微米尺度流体界面性质原位测量，为能源、化工和生命科学能涉及微尺度流体控制的研究和应用提供测量技术支持。
本发明原理：利用短焦透镜构建反射式光散射法系统，实现探测激光光束的聚焦，将探测尺度由毫米级降低至微米级别，实现微尺度下界面性质的测量，非接触地测量各种流体界面热物理性质。
具体地说，本发明提供了一种可以用于微尺度下流体界面性质测量的传感器，结构如下：
所述传感器包括：偏振分光平片、短焦距透镜、1/4玻片、光挡、单模光纤；
所述偏振分光平片与水平面呈45°角设置，偏振分光平片将光线分为两束，反射的一束光与入射光的偏振状态相同，而透射的一束光的偏振状态与入射光的垂直；反射光作为探测光经过短焦距透镜被准直至待测液体液面，在短焦距透镜和待测液体液面之间，设计有1/4玻片；1/4玻片能调整散射光的偏振状态，入射至液面的探测光经过1/4玻片后，偏振状态变为圆偏振，垂直反射的散射光经过1/4玻片后偏振状态变为与纸面平行方向，高效地透射通过偏振分光平片，并与高反射率反射镜反射的相同偏振状态的参考光混频干涉，并进入单模光纤进一步进行信号处理。
短焦距透镜的焦距依据探测尺度的大小选择，短焦距透镜的焦距为5 mm ~ 500mm，探测尺度可达到1μm ~ 1mm级别。
通过调整激光光束焦点或激光光束焦平面距离待测液体液面的距离，能调整探测尺度。
参考光来源于经偏振分光平片透射的部分与纸面平行的入射光，比例在1% ~ 2%。
偏振分光平片、短焦距透镜、1/4玻片、高反射率反射镜和单模光纤的5个元件组合成一个固定的模块。。
具体的实施方案如下：
一束偏振态为水平p偏振（垂直于纸面，或散射面-入射光和散射光形成的平面，入射光用实线表示，散射光用虚线表示。）的高斯激光光束，经偏振分光平片后，反射和透射，反射的部分作为探测光，透射的部分作为参考光。按照偏振态的要求，参考光的偏振状态为垂直s偏振（平行于纸面），而探测光的偏振状态为p偏振。探测光被短焦距透镜所聚焦，聚焦所能达到的尺度可以通过透镜的焦距或透镜距离液面的距离来调节。聚焦后的光束经过1/4玻片，入射至待测液体的表面或界面上。光束通过1/4玻片时，探测光由p偏振变为圆偏振，进而与表、界面上的表面波相互作用，受到表面波的调制而被散射，沿着入射光方向的散射光同样为圆偏振，不过与探测光的方向正好相反。这样当散射光通过1/4玻片向上散射时，偏振状态由圆偏振变为了线偏振，偏振状态为s偏振，因此散射光可以透过偏振分光平片进入探测光纤中。这样的设计使得系统可以充分利用偏振分光平片的分光性质，实现高效地将探测光反射至待测液面，同时将散射光高效地透射进入探测器。与此同时，透射通过偏振分光平片的s偏振光经过反射镜反射并在平片的另外一面与散射光混频，然后进入单模光纤中，实现外差探测（即参考光的强度远远大于散射光的强度）。
本发明的有益效果：
本发明提供的传感器可以用于1-1000微米尺度界面性质测量，对于要求空间分辨率和原位测量的应用场景，本发明能准确可靠地获得界面性质。
附图说明
图1为微尺度表面光散射系统的示意图；
图中：1： 偏振分光平片；2：短焦距透镜；3：1/4玻片；4：待测液体液面；5：激光光束焦点；6：激光光束焦平面；7：探测尺度；8：高反射率反射镜；9：单模光纤。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1：
本发明提供了一种可以用于微尺度下流体界面性质测量的传感器，包括：偏振分光平片、短焦距透镜、1/4玻片、光挡、单模光纤；
偏振分光平片1将光线分为两束，反射的一束光与入射光的偏振状态相同，而透射的一束光的偏振状态与入射光的垂直；反射光作为探测光经过短焦距透镜2被准直至待测液体液面4，在短焦距透镜2和待测液体液面4之间，设计有1/4玻片3；1/4玻片能调整散射光的偏振状态，入射至液面的探测光经过1/4玻片3后，偏振状态变为圆偏振，垂直反射的散射光经过1/4玻片3后偏振状态变为与纸面平行方向，高效地透射通过偏振分光平片1，并与高反射率反射镜8反射的相同偏振状态的参考光混频干涉，并进入单模光纤9进一步进行信号处理；
短焦距透镜的焦距依据探测尺度7的大小选择，短焦距透镜的焦距为5 mm ~ 500mm，探测尺度7可达到1μm ~ 1mm级别；
通过调整激光光束焦点5或激光光束焦平面6距离待测液体液面的距离，能调整探测尺度7；
参考光来源于经偏振分光平片1透射的部分与纸面平行的入射光，比例在1% ~2%；
偏振分光平片1、短焦距透镜2、1/4玻片3、高反射率反射镜8和单模光纤9的5个元件组合成一个固定的模块。
具体的实施方式如下：
采用的激光光束为高斯线偏振光，其偏振方向预先调整至垂直于纸面，然后经过偏振分光平片1分为两束光，反射的一束光与入射光的偏振状态相同，而透射的一束光的偏振状态与入射光的垂直。反射光作为探测光经过短焦距透镜2被准直至待测液体液面4，短焦距透镜的焦距依据探测尺度7的大小选择，范围为5 mm ~ 500 mm，探测尺度7可达到1μm~ 1mm级别。
透镜至液面的距离可以在垂直方向调整，通过调整激光光束焦点5或激光光束焦平面6距离液面的距离，也可以达到调整探测尺度7的目的。
在短焦距透镜2和待测液体液面4之间，设计有1/4玻片3，目的在于改变反射的信号光或散射光的偏振状态，使其便于高效地透射过偏振分光平片(1)。具体实现过程是，入射至液面的探测光经过1/4玻片3后，偏振状态变为圆偏振，然后与液面的表面波相互作用，散射光沿着经待测液体液面4反射的反射光为轴心的空间立体角散射，其偏振状态近似于反射光的偏振状态，为圆偏振，但是方向相反。垂直反射的散射光经过1/4玻片3后偏振状态变为与纸面平行方向，这样就可以高效地透射通过偏振分光平片1，并与高反射率反射镜8反射的相同偏振状态的参考光混频干涉，并进入单模光纤9进一步进行信号处理。参考光来源于经偏振分光平片1透射的部分与纸面平行的入射光，比例在1% ~ 2%。实际应用中偏振分光平片1、短焦距透镜2、1/4玻片3、高反射率反射镜8和单模光纤9的5个元件可以组合成一个固定的模块，这样就可以实现类似于手持式传感测量的功能，可以应用于各种非接触的场合，譬如高温高压等极端条件。

Claims (7)

1.一种用于微尺度下液体界面性质测量的传感器，其特征在于：包括：偏振分光平片、短焦距透镜、1/4玻片、光挡、单模光纤；
所述偏振分光平片与水平面呈45°角设置，偏振分光平片将入射光分为两束，反射的一束光与入射光的偏振状态相同，而透射的一束光的偏振状态与入射光的垂直；反射光作为探测光经过短焦距透镜被准直至待测液体液面，在短焦距透镜和待测液体液面之间，设计有1/4玻片；1/4玻片能调整散射光的偏振状态，入射至液面的探测光经过1/4玻片后，偏振状态变为圆偏振，垂直反射的散射光经过1/4玻片后偏振状态变为与纸面平行方向，高效地透射通过偏振分光平片，并与高反射率反射镜反射的相同偏振状态的参考光混频干涉，并进入单模光纤进一步进行信号处理。
2.根据权利要求1所述的用于微尺度下液体界面性质测量的传感器，其特征在于：所述短焦距透镜的焦距依据探测尺度的大小选择，短焦距透镜的焦距为5 mm ~ 500 mm，探测尺度为1μm ~ 1mm。
3.根据权利要求1所述的用于微尺度下液体界面性质测量的传感器，其特征在于：通过调整激光光束焦点或激光光束焦平面距离待测液体液面的距离，能调整探测尺度。
4.根据权利要求1所述的用于微尺度下液体界面性质测量的传感器，其特征在于：参考光来源于经偏振分光平片透射的部分与纸面平行的入射光，比例在1% ~ 2%。
5.一种权利要求1~4任一项所述的用于微尺度下液体界面性质测量的传感器的使用方法，其特征在于：一束偏振态为水平p偏振的高斯激光光束，经偏振分光平片后，反射和透射，反射的部分作为探测光，透射的部分作为参考光；按照偏振态的要求，参考光的偏振状态为垂直s偏振，平行于纸面，而探测光的偏振状态为p偏振；
聚焦后的光束经过1/4玻片，入射至待测液体的表面或界面上；光束通过1/4玻片时，探测光由p偏振变为圆偏振，进而与待测液体的表、界面上的表面波相互作用，受到表面波的调制而被散射，沿着入射光方向的散射光同样为圆偏振，与探测光的方向正好相反。
6.根据权利要求5所述的用于微尺度下液体界面性质测量的传感器的使用方法，其特征在于：当散射光通过1/4玻片向上散射时，偏振状态由圆偏振变为了线偏振，偏振状态为s偏振，散射光能透过偏振分光平片进入探测光纤中；
透射通过偏振分光平片的s偏振光经过反射镜反射并在偏振分光平片平片的另外一面与散射光混频，然后进入单模光纤中，实现外差探测，即参考光的强度远远大于散射光的强度。
7.根据权利要求5所述的用于微尺度下液体界面性质测量的传感器的使用方法，其特征在于：水平p偏振的高斯激光光束垂直于纸面，或散射面-入射光和散射光形成的平面。
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